寬帶接入“最后一公里”不再難纏

2019-11-03 09:09:44

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供稿：網友

李明琪
如何突破城域網的瓶頸，向渴求帶寬的用戶遞送高容量的語音和數據？如果直接向要求高帶寬的用戶建筑物敷設高容量光纖，那么一是成本高，二可能需要花費數十年的時間。從一個國家的范圍來看，大中型辦公樓中只有5%～10%已經安裝了光終端，而這些建筑物中有3/4距離主干光纖在一公里之內。這種“帶寬間隙”令網絡運營商煩惱不已。

　　消滅這種“帶寬間隙”是基于電頻率和光頻率的無線通信技術的目標。固定寬帶的無線系統的帶寬是有限的，而且為了得到頻譜的授權和在用戶付費之前建設網絡又需要巨額的投資。無線光系統，又稱為無間隔的光（free-space-optics——fso），由于光頻率傳輸不必經過授權，且使用真正的“付費隨著用量的增長而增加”的點對點的體系結構，既解決了問題，又避免了前期的巨額投資。但是FSO傳輸容易受到大氣環境的影響而衰減，而適應性光（AO——Adaptive Optics）技術可以把被大氣損壞的光波幾乎全部恢復。適應性光技術宣稱對FSO通信技術做出了革命性的改進，完全可以滿足電信公司的新需求。

　　FSO存在由來已久

　　早在1880年6月，Alexander Graham Bell就在他發明的“光電話”上第一次傳輸了無線電話信息，通過一個儀器把聲音信號投向一個與鏡子相連的聽覺裝置。聲音的顫動在鏡子上產生了類似的顫動，鏡子把日光向前反射和投射到一個接收機上，接收機把日光重新轉換成為聲音。由于光電話易于受到外部噪聲的干擾，而且聲音信號在銅線上傳輸更為可靠，所以光電話沒有在商業上取得成功。

　　80年后，激光被發明了，使用經過調制的光穿過空氣的通信方式開始實用。20世紀70年代美國開始開發用于航空器到地面和衛星到水下的通信技術。而商業FSO系統實用化則是在上個世紀的90年代，主要用于互連建筑物和校園的LAN，以及像現場的電視攝像通信這樣一類的專業應用領域。這些市場的特點是范圍短、速率適度和在室外安裝。為這類市場建造的系統是用市場上可買到的現成的光部件（如激光器、接收器、透鏡等）制成的。

　　最近一個時期以來，電信公司開始考慮用FSO系統來滿足市場上出現的不斷提高的苛刻需求，包括最后一公里的接入、城市周邊的擴展和無線回程傳輸。在這些市場上的用戶需求包括：

　　● 在所有條件下的長距離和高可靠性傳輸；

　　● 真正的物理層數據速率和與協議的無關性；

　　● 集成了網絡管理要素的載波級的產品；

　　● 能夠真正穿過辦公室的窗玻璃在室外和室內運行；

　　● 單一信道采用WDM的速率最高可達10Gb/s以上。

　　但是，FSO要投入使用還需要解決漂移、閃爍等問題，但是現在的方案卻難以產生一個可靠的全光的解決方案，因為沒有解決一個根本問題:光的波峰被大氣扭曲了。更為有效的對策是適應性光技術。

適應性光技術的貢獻

　　在空中經常飛行的飛行員都知道，帶噪聲控制的耳機比較好用。在飛行期間，這種耳機大大地降低了飛機的噪聲，使旅途更舒適。這種耳機的工作原理就是“抗噪聲”，即建立一個反向的相位信號來削弱機艙的噪聲。適應性光技術就采用了類似的方式。它利用“抗噪聲”信號來削弱光束在穿過湍流大氣和辦公室的窗玻璃時光的噪聲（失常），從而在無線光通信系統中成功應用。

　　適應性光技術最初是在20世紀50年代為了校正由于每秒鐘要翹起望遠鏡的輔助鏡幾次而造成的大氣圖像模糊現象而開發的。它減少了圖像的漂移，使圖像的清晰度提高了兩倍。但是要想完全消除在天文觀測中大氣圖像的模糊現象需要提高10倍的清晰度。

　　美國軍方為了把濃縮的激光發射到敵方，在20 世紀70年代和80年代對適應性光技術投入了大量的資金。等到后來美國軍方將此技術解密時，天文學家迅速行動，采用這項技術制作望遠鏡來消除由于大氣造成的星球和星系的圖像模糊現象。雖然是手工制作的，且成本很高，但是得到的效果卻是令人吃驚的。在裝備了適應性光技術制作的望遠鏡的地面天文臺觀測的天文圖像完全可與從地球的大氣層之外用哈勃空間望遠鏡觀測到的圖像質量相媲美。適應性光技術的應用是自1609年伽利略發明望遠鏡以來在天文學上取得的最具革命性的發展。

　　雙向AO的實踐

　　適應性光技術與其他技術結合可以去除光信號中的噪聲，光首先穿過一個物鏡，然后由一個特制的適應性光部件反射出去。這個特制的適應性光部件被稱為可變形鏡，它用于抵抗光束中的噪聲，消除進來的光束中的失常。校正過的那部分波峰被分發到一個波峰傳感器上，波峰傳感器測量在波峰中的剩余的畸變和誤差。校正的信號經過計算發送給可變形鏡。

　　在剩余的波峰誤差的測量和可變形鏡的位移之間時間延遲（即反應時間）必須保持在最小，否則系統校正的就將是過去的而不是當時的氣候條件。由于大氣中的灰塵、水蒸氣等對光信號的干擾變化迅速，而從當時的條件無法推斷出未來的狀態，因此在這種情況下，控制系統的運行速度必須比被控制過程的變化速度快至少10倍。由于大氣是以100 Hz的周期變化的，所以控制系統在可變形鏡中必須以1000 Hz以上的速率執行校正。

　　以前的軍用和天文的適應性光系統都是單向的，或者用來校正通過望遠鏡獲取的星球或星系來的變形的光，或者用來在激光武器中把發出的光預先變形。FSO系統第一次在雙向通信系統的兩個方向各自應用了一臺適應性光設備。因此，可變形鏡不只是校正進來的光波峰，而且同時也預先把出去的光波峰變形，以便提前校正在兩臺設備之間光傳播路徑上已知的失常。對發射機發出的光束的預先整形，校正已知的失常條件，可以消除漂移和閃爍，從而使光束可以鎖定在其目標上。

　　在兩公里距離的線路上進行的全光系統的運行模擬實驗表明，適應性光系統的效果良好。

　　觀點

　　采用適應性光技術的FSO系統是光通信系統的一次革命，它向當前用越來越高功率的激光器與標準光部件的創造性封裝技術來改進系統性能的設計趨勢提出了挑戰。適應性光技術在解決FSO傳輸缺陷方面有許多先天的優點。由于在一秒鐘的時間內對變形的光波峰校正了數千次，所以它既能夠傳輸雙向的、高度校準的光束，又克服了閃爍。得到的效果就是：它能夠直接通過用戶的單模光纖穿過窗玻璃和空氣長距離傳輸信號，并能傳輸到接收光纖中，有更可靠的鏈路、更高的帶寬，是真正與速度和協議無關的連接技術。在解決了成本問題后，經過試驗驗證的適應性光技術的FSO系統不久將走向市場，成為通信系統發展的一個“助推器”。

摘自《計算機世界報》2003.04

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